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Traitement du métal liquide et procédés de refusion

Si les études relevant de cette thématique ont été initiées pour certaines pratiquement au moment de la création de l’équipe, ce n’est que depuis une dizaine d’années que nos travaux nous ont conduit à prendre une place prépondérante dans un créneau de plus en plus délaissé au niveau de la recherche publique en France. Quatre thèmes principaux sont développés au sein de cette thématique :

Maîtriser le comportement inclusionnaire
Ce sujet demeure une préoccupation très forte des métallurgistes, élaborateurs de matériaux à hautes performances mécaniques. Aujourd’hui nous empruntons deux approches complémentaires, l’une adaptée à une population d’inclusions présentant un nombre de Stokes inférieur à l’unité (pour des inclusions de petites tailles) et privilégiant la description des interactions entre particules, l’autre destinée à décrire le comportement d’inclusions isolées, où les processus de dissolution/croissance sont fondamentaux. Pour la première approche, un couplage MFN-EBP (Mécanique des Fluides Numérique et Equation de Bilan de Population) est appliqué pour simuler d’une part l’hydrodynamique des bains liquides brassés éventuellement par des panaches de bulles (Figure 5), et d’autre part pour décrire le comportement d’une population d’inclusions (Figure 6). Des lois cinétiques pertinentes sont utilisées pour rendre compte des mécanismes d’interaction à l’échelle mésoscopique des particules (agrégation / agglomération, flottation, capture aux interfaces). Pour la deuxième approche, l'étude du comportement d’une inclusion exogène isolée lors de la refusion VAR d'un alliage de titane a donné lieu au développement d'un modèle décrivant la trajectoire et l'évolution de la taille de cette inclusion, avec une attention particulière portée à l'interaction entre l'inclusion et le front de solidification. Toujours pour les alliages de titane, une étude prospective a été menée pour juger la performance du procédé Skull-Melting, initialement développé en Russie pour le recyclage, à produire un alliage exempt de défauts. Un travail analogue a été engagé en fonderie de superalliages pour étudier l’évolution de la propreté inclusionnaire. Dans le cadre de cette dernière étude, la technique du test du bouton a été notamment optimisée et employée intensivement.

<font size="1"><i>Fig. 5 : Prédiction de la vitesse de l’acier liquide et des panaches de bulles d’argon sur un plan vertical passant par les bouchons poreux</font></i>
<font size="1"><i>Fig. 6 : Distribution prédite après traitement</font></i>

Prédire la déformation de surfaces libres en pyrométallurgie
Dans de nombreux procédés d’élaboration, la connaissance de la forme de la surface libre du bain métallique est importante pour la description précise de l’écoulement du métal et la prise en compte des éventuels transferts de matière et d’énergie s’opérant à travers cette surface. Ces dernières années, ce sujet a été abordé à travers deux études. Dans la première étude, nous nous sommes intéressés à la déformation de la surface libre d’un bain de fonte recouvert d’un laitier sous l’impact d’un jet d’oxygène. Ce phénomène a été simulé à l’aide d’un modèle triphasique développé au sein du code PHYSICA, en utilisant la méthode VOF (Volume Of Fluid) pour calculer la forme des interfaces. La seconde étude s’est insérée dans un projet, dédié au comportement inclusionnaire lors de la fusion par induction de l’alliage AM1). Elle a porté sur le développement d’un code de simulation de l’écoulement du métal dans le creuset de fusion, prenant en compte la géométrie en forme de dôme de la surface libre du bain. L’approche numérique retenue utilise les vitesses covariantes comme variables principales dans un maillage curviligne.

Optimiser les procédés de refusion
Les études sur les procédés de fusion et de refusion d’alliages métalliques occupent depuis longtemps une part importante de l’activité de l’équipe, qu'il s'agisse de la fusion par induction sous vide, de la fusion-purification par bombardement électronique, de la refusion sous laitier électroconducteur ESR ou surtout de la refusion à l’arc sous vide VAR. La modélisation mathématique permet de faire le lien entre les paramètres opératoires (taille de lingot, vitesse de fusion, conditions de refroidissement, etc.) et la qualité finale du produit. La compréhension des phénomènes complexes (convection thermosolutale, brassage électromagnétique, ségrégation, turbulence…) a permis de mettre au point des modèles qui ont placé notre groupe à la pointe des recherches à l’échelle internationale. Le modèle SOLAR développé depuis une vingtaine d'années au sein de l'équipe, est de l’avis général un des modèles les plus complets et performants du procédé VAR. L’utilisation de SOLAR ou de sa version ESR permet maintenant une réelle compréhension de l’interaction entre les phénomènes physiques, en vue d’optimiser les procédés. Un résultat tout-à-fait spectaculaire est par exemple la mise en évidence de l’effet du brassage électromagnétique alterné sur la turbulence, et partant sur l’ensemble du comportement du puits liquide et sur la ségrégation en éléments d'alliage dans les lingots de titane ou de zirconium refondus sous vide. Cet effet insoupçonné a priori a été par la suite confirmé expérimentalement par nos collègues américains. Au cours des dernières années, une attention particulière a été apportée au processus de fusion/dissolution d’éléments métalliques dans l’alliage liquide pendant la refusion (défauts de type HDI dans les alliages de titane, "white spots" dans les superalliages base Ni) (Figures 7 et 8).

<font size="1"><i>Fig. 7 : Immersion de défauts synthétiques dans un bain métallique liquide</font></i>
<font size="1"><i>Fig. 8 : Quelques échantillons retirés et partiellement fondus après immersion</font></i>

Comprendre le fonctionnement des arcs électriques sous vide
L'étude des arcs électriques fonctionnant sous vide est un champ d'activité relativement peu abordé en France. Nos travaux viennent essentiellement en soutien des travaux de modélisation du procédé de refusion VAR menés au sein du groupe et vise plus particulièrement à mieux rendre compte du comportement de l’arc dans ce procédé. Au cours des dernières années, nos recherches se sont également diversifiées vers l’étude du comportement de l’arc dans un disjoncteur à vide. L'objectif des travaux menés est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes régissant le comportement des arcs sous vide, en vue d'améliorer la maîtrise des procédés ou des dispositifs dans lesquels ces arcs sont utilisés. S'appuyant sur des études à caractère expérimental et des approches de modélisation et de simulation, nos travaux sont axés sur les trois points suivants:

  • la caractérisation des différents régimes de fonctionnement de l'arc,
  • l'analyse de la dynamique de l'arc,
  • la modélisation du plasma d'arc et des interactions arc-électrodes.

 

Une des originalités de nos travaux tient en particulier à la réalisation d'observations et de mesures sur les procédés industriels concernés (Figure 9).

<font size="1"><i>Fig. 9. Image en vidéo rapide (enregistrée à 2500 images/s) de l'arc électrique sous vide en régime diffus dans le procédé VAR.</font></i>